第2章材料的组织结构1

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1、第2章材料的组织结构金属的晶体结构 金属的结晶与细化 材料的同素异构现象 铁碳合金相图http:/ 金属的晶体结构1 金属的理想晶体结构固态 物质（1）晶体：晶体是指原子（离子、分子）在三维空间 有规则的周期性重复排列的物体，其排列的方式称为 晶体结构，如天然金刚石、水晶、氯化钠等。晶 体非晶体（2）非晶体： 原子（离子、 分子）在空间 无规则排列的 物体称为非晶 体，如普通玻 璃、松香、石 蜡等。 晶体与非晶体的结构比较晶 体非晶体从液态快速冷却高温长时间加热1 金属的理想晶体结构无固定熔点有固定熔点v(3) 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。的三维空间格架。直线的交点（原子中心）

2、称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。1 金属的理想晶体结构（4）晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特 征的最小几何单元来分析晶体中原子排列的规律性 ，这个最小的几何单元称为晶胞。 123（5）体心立方晶格*体心立方晶格的晶胞如图所示，在立方体的8个顶角 上和立方体中心各有1个原子。 铬、钨、钼等体心立方晶格示意图 （6）面心立方晶格* 面心立方晶格的晶胞如图所示，在立方体的8个顶角 上和6个面的中心各有1个原子。具有这种晶格的金 属有铝、铜、镍、铅、金、银和9121394的铁 等。 面心立方晶格示意图 （7）密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞如图所示，在六棱柱的上、下 六角形面的顶角

3、上和面的中心各有1个原子，在六棱 柱体中间还有3个原子。具有这种晶格的金属有镁、 锌、镉和铍等。 密排六方晶格示意图 2、金属的实际晶体结构l变形金属晶粒尺寸约1100m, 铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图v 单晶体与多晶体v单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。v多晶体：v晶粒：实际使用的金属材料 是由许多彼此方位不同、外 形不规则的小晶体组成，这 些小晶体称为晶粒。铅锭宏观组织沿晶断口沿晶断口Nb-Hf-W plate with an electron beam weldv晶界：晶粒之间的交界面。v晶粒越细小，晶界面积越大。v多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界多

4、晶体示意图（2）晶体缺陷金属的实际晶体结构，除了具有多晶体结构以外，与理 想晶体结构不同之处是存在着晶体缺陷。实际金属中存 在大量的晶体缺陷，按其几何形状的特点，晶体缺陷可 分为以下三类。点缺陷线缺陷面缺陷晶 体 缺 陷v 晶体缺陷v在晶体内部及边界存在偏离晶体完整性的微观区域，称为晶体缺陷称晶体缺陷。v实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类, 即点、线、面缺陷。v 点缺陷 v空间三维尺寸都很小的缺陷。l空位l间隙原子l置换原子va. 空位：晶格中某些 缺排原子的空结点。vb. 间隙原子：挤进晶 格间隙中的原子。可 以是基体金属原子， 也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙vc

5、. 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。v点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶空位间隙原子小置换原子大置换原子格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位和间隙原子 引起的晶格畸变v 线缺陷晶体中的位错v位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未刃型位错 螺型位错滑移区的交界线称作位错。分刃型位错和螺型位错。刃型位错和螺型位错刃位错的形成v刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。v半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。v半原子面在滑移面以下的称负位错，

6、用“ ”表示。v位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2)v金属的位错密度为1041012/cm2v位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。v减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。金属晶须退火态(105-108/cm2) 加工硬化态(1011-1012/cm2) 电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（高分辨率电镜下的刃位错（ 白点为原子）白点为原子）v 面缺陷晶界v晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。晶界的过渡结构示意图 工业

7、上使用的金属材料绝大多数都 是多晶体。在多晶体中两个相邻晶 粒之间的晶格位向是不同的，所以 晶界处原子排列是不规则的，它是 从一种位向逐渐过渡到另一种位向 的过渡层，如图所示。 一般情况下，晶体缺陷的存在可以 提高金属的强度，而且晶体缺陷常 常降低金属的耐腐蚀性能，可以通 过腐蚀观察金属的各种缺陷。 3、金属材料的结构特点v合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。v组成合金的元素（组元）可以是全部是金属，也可是金属与非金属。v组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜v所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。v组织实质上

8、是指在显微镜下观察到的金属中各组成相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。v固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金v 固溶体v合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。用、表示。l与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。l固溶体是合金的重要组成相,实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。l按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体v固溶体的性能v随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降称作固溶强化。v产生固溶强化的原因：溶质原子使晶格发生畸变.v与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性

9、、韧性低。但与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。固溶体合金成分与性能关系v 金属化合物v合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。v金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3Cl合金中出现金属化合物,可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。l金属化合物也是合金的重要组成相。复习1 金属的理想晶体结构固态 物质晶 体非晶体体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格 晶格晶胞复习点缺陷线缺陷面缺陷晶 体 缺 陷2 金属的实际晶体结构3 金属材料的结构特点合金相组织金属的结晶：金属从液态变为固态的过程称为结晶。从 原子排列的

10、情况来看，结晶就是原子从一种排列状态( 晶态或非晶态)变为另一种规则排列状态的过程。 2-3 金属的结晶与细晶强化一. 结晶的过程 液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程 来实现。液态金属结晶时，首先在液态中形成一些极微小的晶体 （称为晶核），然后再以它们为核心不断地长大。在这 些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至 液体金属消失。二. 结晶温度 金属结晶时，都存在着一个平衡结晶温度Tm，这时，液 体中的原子结晶到晶体上的数目，等于晶体上的原子溶 人液体中的数目。从宏观范围来看，此时既不结晶，也 不熔化，液体和晶体处于动平衡状态。 只有冷却到低于平衡结晶温度时才能有效地进行

11、结晶。 因此，实际结晶温度T1，总是低于平衡结晶温度Tm。两 者之差(Tm- T1)称为过冷度T。过冷度的大小与冷却速 度有关，冷却速度愈快，过冷度愈大。 三、结晶的一般过程v1、结晶的基本过程v结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.v液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。T0T1T液体和晶体自由能随温度变化晶胚半径与G关系气体、液体、晶体的结构v晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。

12、v2、晶核的形成方式v形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。v由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。v以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。非均匀形核更为普遍。均匀形核非均匀形核示意图v3、晶核的长大方式v晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。均匀长大v当过冷度很小时，晶体生长以平面状态向前推进。正温度梯度v实际金属结晶主要以树枝状长大。是因其冷却速度大，且晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生二次轴，树枝间最后被填充。负温度梯度树枝状长大树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察(定向凝固)金属的树枝状结晶（1）细晶强化 细晶强化：金属的强度、塑性和韧性都随

13、晶粒的细化而提 高，称为细晶强化。四晶核的形成与细晶强化（2）细晶强化的方法增加液态金属结晶时的过冷度细晶 强化 的方 法变质处理附加振动晶体的同素异构同素异构转变：某些金属，例如铁、锰、钛、锡、钴 等，凝固后在不同的温度下有着不同的晶格形式，这 种金属在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的现 象称为同素异构转变。2-4 材料的同素异构现象纯铁的冷却曲线和晶格变化。 由图可知，液态纯铁冷却到1538时，结晶成具有 体心立方晶格的-Fe；继续冷到1394时发生同素 异晶的转变，体心立方晶格-Fe转变为面心立方晶格 -Fe；再继续冷却到912时，-Fe又转变为体心立 方晶格的-Fe。纯铁变为固态后

14、发生了两次同素异晶 转变。 在不同的温度 状态下，由于 温度变化而发 生的晶格结构 改变的现象称 为金属的同素 异构。金属的同素异构转变重结晶（二次结晶） 金属的同素异晶转变是金属从一种晶格类型的固态转变为另 一种晶格类型固态的转变。它也是一个结晶过程，只不过这 个结晶是在固态下进行的，因此把这种固态转固态的结晶称 为重结晶或二次结晶。2-5铁碳合金相图2.5.1 二元合金相图v合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.v相图是用图解的方法表示不同成分、温度下合金系中相的平衡关系。又称状态图或平衡图。v合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。l组元是指组成合金的

15、最简单、最基本、能够独立存在的物质。l多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元, 如Fe-C合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图L成分（wt %Ni）温度（）CuNi一、二元相图的建立v几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。v二元相图的建立步骤为：以Cu-Ni合金(白铜)为例v1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。v2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。l3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。v相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相

16、线。二、二元相图的基本类型与分析l两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。l以Cu-Ni合金为例进行分析。Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图1、二元匀晶相图v相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。v相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L + ）。 LL +成分（wt%Ni）温度（）CuNi液相线固相线ABv 合金的结晶过程v除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。l当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。LL+v随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。v成分变